Автоматические швартовные лебедки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Низкие энергопоказатели традиционных систем управления ЭП и недостаточная надежность релейно - контакторной аппаратуры приводит к тому, что последние не соответствуют требованиям повышения технического уровня целого ряда механизмов. Поэтому внедрение тиристорных электроприводов на судах морского и речного флота необходимо с целью решения таких основных задач, как: повышение эффективности использования электромеханизмов на основе улучшения регулировочных, энергетических и динамических свойств электроприводов, а также повышения надежности их работы и снижения затрат на эксплуатацию судовых механизмов при переходе с релейно - контакторных на бесконтактные полупроводниковые системы управления.

При постоянно возрастающей тенденции развития электроприводов механизмов внедрение ЭП с тиристорными преобразователями переменного и постоянного тока является определяющим направлением в современном морском и речном флоте. Но это не значит, что для всех без исключения ЭП необходима сложная тиристорная система регулирования. Для тех механизмов, у которых производительность находится на высшем уровне и удовлетворяет современным требованиям и в дальнейшем, целесообразно использование простых систем, которые позволяют обеспечить требуемые высокие эксплуатационные показатели.

Наиболее высокими техническими показателями обладают частотно - регулируемые электроприводы и инверторными преобразователями частоты и односкоростными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором.

Обладая высокими регулировочными и энергетическими показателями эти электроприводы позволяют получить предельные показатели по уровню производительности, диапазону регулирования, скорости, удельным параметрам и надежности исполнительного двигателя.

Это особенно необходимые качества для механизмов, работающих в повторно - кратковременных режимах, у которых при определении технических показателей механизма играют потери в переходных режимах. Для таких систем применение электропривода с частотным регулированием является наиболее эффективным и единственным возможным, когда речь идет об определенных условиях эксплуатации.

Для того, чтобы рассмотреть сферу применения регулируемых электроприводов с короткозамкнутым ротором в настоящее время разрабатываются новые системы с преобразователями непосредственного типа (непосредственные преобразователи частоты). Они обеспечивают частотное регулирование в ограниченной зоне, примерно до 40% номинальной частоты вращения электропривода

Электроприводы на основе таких НПЧ по уровню предельной мощности и производительности использования электродвигателя очень заметно уступают таким же системам, но с инверторным преобразователем частоты.

Электроприводы с ПЧИ и тиристорные электроприводы постоянного тока обеспечивают наиболее оптимальные регулировочные характеристики и имеют относительно лучшие показатели по условиям работы и их стоимости.

Сравнительно ограниченное применение таких систем связано с тем, что в них используются коллекторные машины постоянного тока с относительно низким уровнем надежности при использовании их на судах.

Первоначальное значение в повышении эффективности имеют высокие энергетические свойства тиристорных электроприводов и их регулировочные характеристики. Такое повышение эффективности достигается оптимизацией работы двигателя в установившемся и переходных режимах и благодаря регулированию выходных параметров преобразователя.

Глава 1. Анализ существующих и перспективных систем управления автоматическими швартовными лебедками

1.1 Назначение, классификация и принцип действия автоматических швартовных лебедок

1.1.1 Назначение и классификация АШЛ

Автоматические швартовные лебедки необходимы для поддержания заданного уровня швартовного режима судна при необходимой безопасности стоянки и сохранности швартовных концов. Заметное изменение координат клюзов под действием внешних сил действует на изменение угла заводки швартовных канатов, следовательно АШЛ переходит в новый режим работы.

В настоящее время не существует единого подхода к установлению оптимального режима или программы для АШЛ, т.к. условия работы АШЛ в каждом конкретном случае индивидуальны.

Поэтому общепринятым понятием для автоматизации автоматических швартовных лебедок является стабилизация натяжения швартовных концов на необходимом заданном уровне. АШЛ автоматически при увеличении натяжения на канате стравливает его или подбирает слабину при изменении натяжения.

Особенностью механизма лебедки как системы авторегулирования заключается в натяжении (ослаблении) швартовного каната, это является возмущающим фактором и регулируемым параметром АШЛ.

По отношению к другим обобщенным координатам судна система остается разомкнутой, это является ее существенным недостатком.

Не только ветер, течение или волновые воздействия влияют на изменение угла заводки швартовных канатов. Возмущающим фактором для этого могут служить и погрузочно - разгрузочные работы, при проведении которых могут заметно меняться координаты клюзов, а также шлюзование или стоянка судна в условиях приливов и отливов, которые могут достигать широких пределов. Например при погрузочно - разгрузочных работах танкере вертикальное перемещение клюза может изменяться в пределах от 0,7 до 1 м/мин, а при шлюзование 0,5 - 1 м/мин. В этих условиях АШЛ играют важную роль, т.к. автоматизация процесса швартовки дает возможность высвободить большую часть палубной команды, избавить людей от тяжелого и опасного труда: постоянных перетяжек и нахождения непосредственно у канатов.

Использование АШЛ дает возможность применения стальных тросов, которые более долговечны и надежны в работе, чем синтетические и растительные.

Достаточное количество АШЛ на судне, их постоянная готовность к работе в достаточной мере дает возможность существенно сократить общий объем швартовных операций, уменьшить опасность труда обслуживающего персонала.

Рис.1.1. Структурная схема.

Например, фирма АСЕА комплектует некоторые системы с двухцепными эсператорами, это предусматривает обслуживание приводов сразу двух лебедок.

Эти системы имеют достаточно высокие технико - экономические показатели по сравнению с другими.

При швартовных операциях ручное управление производится с ПУ (командоаппарата). Сигнал с ПУ поступает на возбуждение генератора (Г) и двигателя (ИД), создает тяговые характеристики лебедки, необходимые для работы. При переходе в автоматический режим, рукоятка ПУ ставится в одно из начальных положений, в зависимости от необходимого натяжения. Состояние равновесия достигается самостоятельно, т.е. если усилие небольшое, то двигатель работает в двигательном режиме, выбирая слабину. Если натяжение увеличилось, то частота вращения ИД (согласно характеристике) падает до полной остановки и стоянки од током. Если начальное натяжение велико, то происходит стравливание каната до выравнивания противодействующих моментов, а ИД работает в режиме противовключения. Для этой группы АШЛ характерно, что частота двигателя является переменной и определяется приведенным моментом на двигателе.

Автоматические швартовные лебедки, используемые на современных морских и речных судах по принципу измерения натяжения (усилия) на швартовном канате можно разделить на две группы:

а) системы с датчиком натяжения;

б) системы без датчиков натяжения.

Одна из групп применяемой на судне системы в целом определяет работу электропривода.

1.1.2 АШЛ без датчика натяжения

В АШЛ без датчика натяжения оценка усилия производится самим электродвигателем. Это является наиболее простым действием в функциональной системе. В автоматическом режиме электродвигатель стоит под током, уравновешивая момент, создаваемый натяжением троса на барабане АШЛ. Обычно в таких системах используются системы Г - Д, у которых создаются благоприятные крутопадающие механические характеристики.

Такие системы сейчас установлены на теплоходах серий «Новгород» и ряде других, производятся фирмами «Тригге» и «АСЕА»

1.1.3 Динамометрические системы в АШЛ с датчиком натяжения

Система АШЛ с датчиком натяжения - это система, в которой двигатель имеет прерывистую работу по определенной программе, задающейся датчиком натяжения, которые отличаются по принципу измерения тягового усилия.

В АШЛ используются следующие динамометрические системы:

а) динамометрическая система с планетарной передачей; (рис. 1.2)

б) динамометрическая система с непосредственной упругой связью барабана с рабочим валом (рис.1.3).

Динамометрическая система с планетарной передачей - это система, в которой центральным элементом является планетарная передача в силовой цепи редуктора между двигателем и грузовым барабаном. Солнечное колесо системы передачи 1 связано с исполнительным двигателем. Водило 3, вместе с закрепленными на ней сателлитами 4, передает вращение на барабан. Когда двигатель заторможен, усилие на барабане через водило и сателлиты передается на валочную шестерню 2. Ее смещение вызывает растяжение пружины динамометра 6. В статическом (постоянном) сочетании пружина уравновешивает силу Т_в, которая приложена к водилу. Она эквивалентна натяжению швартовного каната. Натяжение пружины фиксируется указателем 8 и через шатун 7 передается на датчик тяговой силы 9, который содержит контактные элементы управления магнитной станцией 11. Уставка натяжения контролируется маховичком 10. Отклонение действительного усилия от заданного вызывает дополнительное перемещение штока датчика натяжения, коммутацию его управляющих элементов и включение ИД в направлении, зависящем от знака отклонения натяжения.

Фактически измеритель производит оценку момента на водиле, который по величине будет намного меньше действительного момента на грузовом барабане, возникающего из-за натяжения швартовного троса. Также отличие можно определить потерями в передаточном механизме, находящемся между барабаном и планетарным редуктором.

В динамометрической системе с непосредственной упругой связью барабана с рабочим валом барабан 6 имеет свободную посадку относительно грузового вала 3 (Рис. 1.3.). Между ними связь осуществляется с помощью пружинных растяжек 9 со звездочкой 8, которые встроены во внутрь барабана.

Когда двигатель и грузовой вал находятся в заторможенном состоянии, под действием усилия на канате происходит поворот барабана относительно оси своего вала на угол, величина которого эквивалентна натяжению. Угол фиксируется датчиком тягового усилия 7. Наличие в системе дифференциала 4 позволяет производить измерения усилия даже во время работы двигателя.

С учетом параметров ценных звездочек 1, 5 промежуточная механическая передача 2 позволяет выбирать необходимую величину поворота вала датчика натяжения.

В системе такого типа имеют место наименьшие потери момента на расстоянии от барабана до измерителя и высокая точность оценки натяжения. Такие системы с непосредственной упругой связью установлены на судах серий «Омск» и разработаны западногерманской фирмой «Каминатель Шерфе»

Для измерения момента на грузовом валу лебедки широко используются магнитоупругие датчики. Они работают на применении магнитной проводимости феромагнитных материалов, которое происходит под действием механических напряжений.

Магнитоупругий датчик с измерительным преобразователем установлен на одной из автоматических швартовных лебедок теплохода «Звенигород». Датчиком был заменен стоявший ранее пружинный измеритель натяжения. После такой замены автоколебательность всей системы повышается. На этот фактор повлияла более положительная и эффективная работа датчика. Поэтому для систем с датчиком натяжения характерно дискретное регулирование скорости электропривода, то при определенном достижении усилия произойдет направленное включение двигателя.

Двигатель, имея жесткую механическую характеристику, работает с постоянной частотой вращения. При увеличении натяжения датчик срабатывая, включает повышенную (пониженную) скорость вращения.

1.2 Анализ перспективных бесконтактных систем управления автоматическими швартовными лебедками

В настоящее время автоматические швартовные лебедки комплектуются электроприводами переменного тока на базе трехскоростного асинхронного электродвигателя. Наиболее распространенным типом электропривода является система с асинхронным короткозамкнутым двигателем, управляемым силовым кулачковым контроллером или магнитным контроллером релейно - контакторного типа. Силовая схема такого типа электропривода приведена на Рис. 1.4., механические характеристики на Рис.1.5.

Управление электроприводом производится посредством командоконтроллера с тремя рабочими положениями в двух направлениях вращения. Включение любой из 3-х обмоток электродвигателя осуществляется переводом командоконтроллера из нулевого положение в соответствующее рабочее положение. Автоматические швартовные лебедки до последнего времени снабжаются релейно - контакторной системой управления на основе использования трехскоростного электродвигателя с 2р = 4/8/24.

Обмотка 2р = 4 используется для выбирания каната в холостую, а обмотка 2р = 8 - для выбирания каната с номинальным натяжением. Обмотка 2р = 24 служит для выбирания каната с малой скоростью при ручном управлении, а также для всех операций автоматического режима. В схему управления входят реверсивные контакторы, скоростные контакторы, контакторы тормозного электромагнита, промежуточные реле, реле защиты, различные блокировки. В цепь управления также включены датчики от взвещивающего устройства, дающие команду на автоматическое травление или выбирание троса на малой скорости, устройства контроля и сигнализации, выведенные на пульт управления лебедкой.

Отмечая достоинства таких электроприводов, заключающиеся в простоте и относительно низкой стоимости, следует тем не менее констатировать, что при нынешнем развитии крупнотоннажного флота и соответственном увеличении мощности автоматических швартовных лебедок, они уже не удовлетворяют возросшим требованиям по ресурсу, надежности и другим показателям. Слабым звеном в них является коммутационная аппаратура - силовые кулачковые контроллеры и контакторы, которые имеют относительно не высокую электрическую износоустойчивость. Так, для кулачковых контроллеров электрическая износостойкость составляет 100 - 200 тыс. циклов ВО.



Рис. 1.4. Силовая часть релейно - контакторного электропривода АШЛ.

С точки зрения повышения надежности, ресурса, безопасности работы автоматической швартовной лебедки более справедливым оказывается применение коммутационных аппаратов на базе управляемых вентилей (тиристоров). По сравнению с контактными аппаратами тиристорные коммутаторы имеют следующие преимущества:

ь Практически неограниченный ресурс по количеству циклов ВО;

ь Высокое быстродействие;

ь Большой коэффициент усилия по мощности, обусловленный тем, что для включения тиристоров достаточно короткого маломощного импульса;

ь Легкость введения автоматизации;



Рис. 1.5. Механические характеристики релейно - контакторного электропривода АШЛ

ь Высокая надежность работы при упрощении обслуживания; большие возможности управления пуском, торможением и другими переходными режимами электропривода.

К недостаткам тиристорных коммутаторов следует отнести:

ь Значительно меньшая по сравнению с контактными перегрузочная способность по току;

ь Ограниченное количество коммутируемых цепей;

ь Большие потери, выделяемые в тиристорах при протекании переменного тока;

ь Несколько большие, чем у электромагнитных контакторов габариты, масса и стоимость.

Наиболее полно проявляются преимущества тиристорных коммутаторов (в отношении надежности, ресурса, срока службы и др.) в системах электроприводов с многоскоростными короткозамкнутыми двигателями, в которых осуществляется замена всех силовых контактных коммутационных аппаратов бесконтактными. Применение бесконтактных контроллеров в этих системах позволяет помимо характеристик, свойственных системам релейно - контакторного типа, реализовать и новые. Так, представляется возможным без существенного усложнения схемы электропривода получить режим динамического торможения, а также режим противовключения. Открывается возможность изменять по требуемому закону момент двигателя в режимах пуска и торможения. Однако формирование таких пусковых и тормозных характеристик требует регулирование подводимого к нему напряжения, что сопряжено с некоторым усложнением системы управления.

Принципиальная схема электропривода автоматической швартовной лебедки с трехскоростным двигателем и с контроллером КБТ приведена на Рис.1.6. Здесь предусматривается ступенчатый пуск и торможение. Управление тиристорами в контроллерах КБТ осуществляется анодным напряжением, прикладываемым к тиристорам. Принципиальная схема тиристорного коммутатора (в одной фазе) с таким управлением показана на Рис.1.7.

Коммутация управляющих цепей тиристоров производится здесь с помощью герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов), которые из - за своей высокочувствительности хорошо сочетаются с полупроводниковыми элементами. В контроллерах предусмотрены нулевые и тепловые защиты тиристоров от перенапряжений (БЗП). Защита тиристоров от токов короткого замыкания осуществляется с помощью автоматического выключателя. Контроль включения тиристорных коммутаторов производится с помощью реле РК1 - РК3. Конструктивно контроллеры выполняются в виде съемных блоков, размещенных в шкафах. По габаритам контроллеры в 1,3 - 1,5 раза превышают соответствующие исполнения магнитных контроллеров с релейно - контакторной аппаратурой.

Серия КТБ построена на применении тиристоров ВКДУ 150. Она рассчитана на управление двигателями мощностью 20 - 30 кВт. С целью расширения диапазона мощностей предполагается использовать в контроллерах таблеточные тиристоры Т320.

При автоматическом режиме работы сигнал на травление или выбирание каната поступает от механического взвешивающего устройства в систему управления тиристорными блоками.

Рис. 1.6. Силовая часть электропривода АШЛ с бесконтактной коммутацией (сконтроллером КБТ).

Рис. 1.7. Принципиальная схема тиристорного коммутатора (в одной фазе).

Системы с бестоковой коммутацией обладают наиболее высокими надежностными показателями. Однако характерным для этих является значительное увеличение габаритов станций управления, особенно с ростом мощности привода. Это ограничивает область применения систем с бестоковой коммутацией.

В судовых электроприводах все более широкое распрастранение находят контроллеры с совместным применением как контактной, так и бесконтактной аппаратуры. Такое совмещение аппаратов позволяет получить более простые системы, приближающиеся по своему построению к обычным релейно - контакторным структурам, но отличающиеся от них гораздо большим уровнем электрической износоустойчивости коммутационных аппаратов.

В настоящее время разработано несколько схемных решений электропривода автоматической швартовной лебедки с бестоковой коммутацией. Построение таких систем для электроприводов с трехскоростными короткозамкнутыми двигателями возможно на основе двух решений:

1. Шунтирование главных контактов контактора цепочками состоящими из встречно - параллельно включенных тиристоров;

2. Включение последовательно с главными контактами цепочек из встречно - параллельно включенных тиристоров.

В обоих случаях коммутацию тока в цепи двигателя можно осуществлять тиристорами, а все переключения без тока - контактными элементами контакторов или других коммутационных, например, кулачковых контроллеров. Тем самым электрическая износоустойчивость контактных аппаратов, используемых в электроприводе, приближается к уровню их механической износоустойчивости.

Бестоковая коммутация в первом случае получается за счет применения для обычных контакторов специальных блоков бестоковой коммутации. Такой блок для одной фазы (Рис.1.8) состоит из двух встречно - параллельно включенных тиристоров Т1 и Т2, шунтирующих главный контакт ГК контактора и блоков управления БУ1 и БУ2 с трансформатором тока Тр. Бестоковая коммутация достигается за счет шунтирования главного контакта ГК, что исключает дуговой разряд на контактном промежутке. В момент замыкания главного контакта через первичную обмотку трансформатора Тр начинает протекать ток, благодаря чему на тиристоры поступают сигналы управления. Тиристоры открываются и шунтируют цепь главного контакта. Закрывание тиристоров осуществляется или при переходе тока через нуль, или при достижении нормального контактного нажатия на главных контактах, когда тиристоры оказываются зашунтированными. В промежутках между коммутациями при любом токе нагрузки, в пределах рабочих токов, тиристоры находятся в открытом состоянии по цепи управления, но зашунтированы главными контактами. При размыкании главного контакта коммутация тока происходит через тиристоры, которые запираются при переходе тока через нуль. Тиристорные блоки крепятся непосредственно на контакторах. Электрическая износостойкость контакторов приближается к 1 млн. циклов.

На основе применения рассмотренных исполнений контактов схема электропривода автоматической швартовной лебедки может быть выполнена либо полностью на контакторах с бестоковой коммутацией, либо с использованием их только в наиболее нагруженных цепях. В первом случае обеспечивается бестоковая коммутация практически во всех контактных элементах главной цепи, что позволяет максимально использовать возможности контакторов по ресурсу работы. Однако реализация этого варианта требует существенного увеличения габаритов магнитного контроллера, его массы и стоимости. Поэтому более оправданным следует считать применение второго варианта, который при сравнительно высоких показателях по износоустойчивости имеет значительно лучшие характеристики по габаритам, массе и стоимости магнитных контроллеров. На Рис. 1.9 показана принципиальная схема электропривода АШЛ с бестоковой коммутацией только в цепях скоростных обмоток двигателя. Коммутация контакторов КС1, КС2, КС3 здесь бестоковая. Реверсивные контакторы КВ и КН

Рис.1.8. Принципиальная схема блока бестоковой коммутации (для одной фазы)

коммутируют практически только не большие токи обмоток тормозного магнита ТМ, и поэтому электрическая износостойкость контактов этих контакторов достаточно высокая.

При последовательном включении главных контактов и тиристорного коммутатора бестоковая коммутация осуществляется путем соответствующего получения схемы управления, позволяющей осуществлять включение и отключение контактов в момент отсутствия тока. Все эти коммутационные операции под током производится тиристорным коммутатором. При этом могут быть использованы магнитные контроллеры серий БТ, ВТ, куда встраивается тиристорный коммутатор.

Принципиальная схема электропривода АШЛ при последовательном включении главных контактов и тиристорного коммутатора приведена на Рис.1.10. Здесь при пуске двигателя «Вперед» или «Назад» сначала включаются без тока соответствующие контакты контакторов направления КВ или КН. Включение тиристорного коммутатора осуществляется после включения контактора К, катушка которого питается через замыкающий контакт КВ или КН.

Рис. 1.9. Принципиальная схема электропривода АШЛ с бестоковой коммутацией в цепях скоростных обмоток.

При остановке двигателя сначала отключается контактор К, а затем и тиристорный коммутатор. Контакты же КВ или КН находятся во включенном состоянии до тех пор, пока не будет отключен двигатель, что контролируется реле РК, через контакты которого осуществляется подпитка катушки контактора направления. Такой контроль требуется для того, чтобы обеспечить отключение контакторов направления при отсутствии тока в цепи двигателя, т.е. когда отключен тиристорный коммутатор.

Рис. 1.10. Принципиальная схема электропривода АШЛ с последовательной бестоковой коммутацией.

В схеме показано включение тормоза ТМ и блока защиты от перенапряжений БЗП.

Система бесконтактной коммутации с последовательным включением бесконтактных тиристорных узлов имеет минимальные габариты и массу. Однако такое включение тиристорных блоков ограничивает мощность электропривода. Система с бестоковой параллельной коммутацией не имеет ограничений по мощности. Поэтому ее можно использовать для электроприводов АШЛ большой мощности.

Использование систем с бестоковой и бесконтактной коммутацией решает только задачу обеспечения надежной работы аппаратуры управления. Характеристики же электропривода определяются етодами регулирования и не зависят от систем коммутации. Механические характеристики электроприводов с бестоковой и бесконтактной коммутацией совпадают с механическими характеристиками электропривода релейно - контакторного типа. В ряде случаев они уже не удовлетворяют возросшим требованиям, предъявляемым к автоматическим швартовным лебедкам.

Скоростные параметры АШЛ пока еще окончательно не установились, однако с учетом того, что применение этих механизмов не связано с физическими возможностями человека в процессе швартования, имеющиеся тенденции повышения скоростей выбирания швартовного каната, особенно вхолостую, и снижения скоростей выбирания и травления при автоматическом режиме. Так, например, ряд лебедок имеет наибольшую скорость выбирания каната до 1м/с и даже выше, а наиболее эффективное значение скорости в автоматическом режиме находится в пределах 0,05 - 0,1 м/с, т.е. для автоматических швартовных лебедок предпочтительным является диапазон регулирования 1:15. Такого диапазона регулирования электромашинными методами достичь невозможно. Становится необходимым внедрение принципиально новых систем электропривода, имеющего более высокие регулировочные, динамические и энергетические показатели. Для системы с бесконтактной коммутацией перспективным следует признать использование тиристорных коммутаторов не только в качестве прерывателей тока, но и как регулятора напряжения, подводимого к двигателю при пусках и торможениях, с тем, чтобы получить требуемый для механизма закон изменения момента. Однако это сопряжено с усложнением системы управления.

Наиболее благоприятным с точки зрения повышения регулировочных, динамических показателей электропривода автоматической швартовной лебедки является применение частотно - регулируемого электропривода с асинхронными односкоростными и полюсо - переключаемыми короткозамкнутыми машинами. При частотном управлении потери при пуске и торможении электродвигателя меньше аналогичных потерь не только при прямом включении, но и при двух- или трехступенчатом.

Замена трехскоростного двигателя односкоростным с частотным управлением позволяет позволяет уменьшить его размеры на 1 - 2 габарита, вес - на 40%, а маховый момент и суммарные потери за цикл - в два раза даже с учетом несинусоидальности выходного напряжения преобразователя частоты.

Рис.1.11 Схема комбинированного электропривода АШЛ с параллельным включением преобразователя частоты.

На Рис.1.11 приведена схема комбинированного электропривода автоматической швартовной лебедки с двухскоростным двигателем и параллельным включением преобразователя частоты с непосредственной связью (показана только силовая часть). Схема обеспечивает частотный пуск и торможение при работе двигателя от преобразователя частоты, а также двухступенчатый разгон и торможение в зоне электромашинного регулирования. Общий диапазон регулирования скоростей с типовым соотношением пар полюсов машины 2р=4/6 составляет 1:15, а в зоне частотного регулирования диапазон изменения частоты вращения двигателя от 150 до 600 об/мин. Число фиксированных механических характеристик - по пять в каждом направлении. Преобразователь частоты связан с сетью посредством понижающего трансформатора Тр. Управление каналами регулирования частоты и напряжения осуществляется посредством реле РСВ, РСН и РС2, РС3.

Указанные реле переключают цепи резисторов R1 - R18, собранных по потенциометрическим схемах, причем цепи из диодов Д1 - Д12 образуют логическую схему ИЛИ, при которой включение последующей цепи исключает предыдущую. Механические характеристики этого электропривода приведены на Рис.1.12.

Недостатком предыдущей схемы является недостаточная ее надежность, относительная сложность системы управления, большие масса и габариты всей аппаратуры управления.

Рассмотрим подробнее электромашинно - частотное управление автоматической швартовной лебедкой, производя частичный расчет элементов АШЛ для т/х «Electra».



Рис.1.12. Механические характеристики электропривода АШЛ с параллельным включением преобразователя частоты.

Глава 2. Система управления автоматической швартовной лебедкой с совместным частотным и электромашинным регулированием

2.1 Выбор электродвигателя и расчет его характеристик

2.1.1 Характеристики швартовного снабжения

Количество швартовных канатов (тросов) на судне связано с основной характеристикой снабжения N_с и может составлять от 3 до 20. Длина швартовных канатов также зависит от характеристики снабжения и находится в пределах от 130 до 200 м.

Где: Д - водоизмещение судна;

В - ширина судна;

h - условная высота от ватерлинии до верхней палубы у борта самой высокой рубки, имеющей ширину не менее 0,25*В;

А - площадь парусности в пределах длины судна по ватерлинии без учета парусности мачт, стрел, ограждений.

Для нашего судна (т/х «Electra):

В = 20,3 м

Д = 18450 т

h = 17,1 м

А = 1316,8 м²

м²

Разрывное усилие может быть вычислено по формуле:



Где коэффициенты a₂ и b₂ выбираем согласно литературе: а₂ = 630, b₂ = 375

Принимаем F = 240000 Н 500000 Н

Т.к. номинальное тяговое усилие швартовных механизмов должно быть не выше 1/3*F, то номинальное тяговое усилие F_ш принимаем равным 80 кН.

Из таблицы 8.9 [2] выбираем АШЛ со следующими техническими данными:

номинальное тяговое усилие F_ш - 80 кН;

расчетный диаметр троса d_т - 28 мм;

разрывное усилие троса F - 320 кН;

канатоемкость барабана - 200 м

скорость выбирания ненагруженного троса при неавтоматическом режиме не менее - 0,9 м/с;

скорость выбирания троса при номинальном тяговом усилии не менее - 0,2 м/с;

минимальная скорость при автоматическом режиме не более - 0,07 м/с.

2.1.2 Расчет мощности ЭД и выбор его по каталогу

Номинальная мощность электродвигателя АШЛ определяют по формуле:

Где: - номинально тяговое усилие в швартовном тросе, кН

- номинальная скорость выбирания швартовного троса (принимаем =0,23 м/с)

- КПД механизма (принимаем =0,75)

- поправочный коэффициент для двигателей, имеющих запас по времени стоянки:

,

где t_доп = 30 с - допустимое время стоянки под током в номинальном режиме;

= 1,07

Выбираем по каталогу двухскоростной электродвигатель типа МАП 611 - 4/12, технические данные которого приведены в табл. 2.1.

Табл. 2.1. Технические данные ЭД типа МАП 611 - 4/12

Число полюсов, 2р	Мощность на валу, кВт выоееегвлджпро	Частота вращения, об/мин	Номинальный ток статора, А		Максимальный момент, Н*м	Пусковой ток, А	Пусковой момент, Н*м	КПД, %
4	65	1410	128	0,88	135	780	10,3	87
12	23	415	75	0,67	116	225	11,5	70

Для канатоемкости барабана АШЛ, равной 200 м, выбираем его параметры:

Д_б = 0,78 м - диаметр барабана

L_б = 1,15 м - длина используемой части барабана.

Определим число слоев S каната на барабане с учетом того, что полная длина каната составляет 200 м:

Длина каната в одном витке первого слоя:

Количество витков в первом слое:

Длина каната, уложенного в первый слой:

Диаметр барабана с учетом первого слоя:

Длина каната в одном витке второго слоя:

Количество витков во втором слое:



т.е второй слой полностью не заполняется.

Итак, имеем

Определяем передаточное число механизма:

Выбранный электродвигатель проверяется по пусковому моменту и условиям прочности швартовного троса:

84,15 Н

Пусковой момент на малой скорости должен удовлетворять условию:

При использовании систем искусственного снижения малой скорости (например, с помощью преобразователя частоты) наилучшими характеристиками обладают электродвигатели, у которых номинальная скорость швартования реализуется при числе полюсов 2р = 12, а повышенная - при 2р = 4.Для таких систем могут быть рекомендованы следующие интервалы скоростей: номинальный - 0,23 - 0,3 м/с; максимальный - 0,75 - 1 м/с.

автоматический швартовный лебедка электромашинный

2.1.3 Расчет параметров схемы замещения асинхронного двигателя

при 2р = 12.

В асинхронной машине при вращающемся роторе происходит преобразование электрической энергии в механическую, если она работает двигателем, и обратное преобразование, если она работает генератором. Кроме того, при вращающемся роторе частота тока в его обмотке отличается от частоты тока в его обмотке статора. Этими особенностями асинхронная машина при вращающемся роторе отличается от трансформатора, в котором происходит преобразование электрической энергии в электрическую.

В то же время асинхронная машина при неподвижном роторе с точки зрения преобразования энергии полностью соответствует трансформатору.

Чтобы иметь возможность рассматривать ротор совместно со статором (при отсутствии между ними электрической связи), параметры роторной цепи заменяются их приведенными значениями:

, , , где

- коэффициент трансформации двигателя.

Каждому режиму работы АД соответствует определенная область скольжений, а именно:

генераторному режиму - ;

двигательному режиму - ;

режиму противовключения - .

Кроме того следует выделить два промежуточных режима:

короткого замыкания - ;

идеального холостого хода - .

В асинхронных двигателях скорость однозначно связана со скольжением:

,

поэтому механические характеристики двигателей часто представляют в виде зависимости между моментом и скольжением:

Чтобы получить эту зависимость воспользуемся Т - образной схемой замещения фазы АД построенной на основе вышеизложенных положений (Рис.2.1).

Рис.2.1. Т - образная схема замещения фазы АД

В каталогах на двигатели параметры схем замещения не указываются, а приводимые данные относятся к номинальному режиму работы. И хотя каталожных данных в ряде случаев достаточно для расчета механических характеристик, точность этих расчетов не всегда удовлетворительна. Расчет же таких характеристик двигателя как потери, пусковые и максимальные моменты и соответствующие им токи и др., вообще не может быть выполнен без знания параметров схемы замещения. Ниже приводятся расчеты позволяющие получить параметры схем замещения асинхронных двигателей, а также ряд других параметров по приводимым в каталогах данным: линейному напряжению U_л, и линейному току I_л статора, номинальным значениям мощности Р_н, частоты вращения n_н, коэффициента мощности cos, КПД з_н, числу пар полюсов р, кратностям максимального k_м и пускового k_п моментов, кратности пускового тока k_i.

Итак:

номинальное скольжение двигателя:

где n₁ - синхронная частота вращения поля статора;

n₂ - частота вращения ротора.

Синхронная угловая скорость поля статора:

f₁ - частота тока питающей сети;

p - число пар полюсов двигателя.

Угловая скорость ротора двигателя (номинальная):



Номинальный момент двигателя:

Кратность максимального момента:

Кратность пускового момента:

Кратность пускового тока:

Параметры обмотки с 2р = 12:

критическое скольжение определяем по формуле Клосса:

Критическая частота вращения ротора:

Ток намагничивания двигателя:

Номинальный ток ротора:

Активное сопротивление ротора:

Полное сопротивление короткого замыкания:

Коэффициент мощности при пуске:

отношение потерь в меди статора к суммарным потерям в номинальном режиме.

Принимаем

Коэффициент первичного рассеяния ():

Пусковой ток ротора:

Активное сопротивление ротора при пуске:



Активное сопротивление статора:

Индуктивное сопротивление двигателя, определяемое по номинальному режиму:

Индуктивное сопротивление короткого замыкания двигателя, определяемое по пусковому режиму:

Для двигателя с короткозамкнутым двигателем индуктивное сопротивление статора:

2.1.4 Расчет и построение механической характеристики двигателя при его работе с числом полюсов 2р = 12

Построение механической характеристики в пределах 0 и S=1 произведем, рассчитав ее по упрощенной формуле Клосса:



а в пределах S_кр < S < 1 - по выражению:

введя коэффициент т.к. в этих пределах упрощенная формула Клосса дает недопустимые погрешности. Коэффициент определяем по кривым ,

Подставив известные величины в вышеприведенные выражения, получаем следующие формулы для расчета механической характеристики:

Результаты приведены в таблицу 2.1. Графическое изображение механической характеристики показано на рис.2.3.

Расчет механической характеристики.

S	M, H*м	n, об/мин
0	0	500
0,05	164,9	475
0,08	261,7	460
0,1	324,8	450
0,13	416,5	435
0,17	529,3	415
0,2	612,8	400
0,4	999,4	300
0,7	1160	150
0,95	1157,3	25
0,98	1153	10
0,99	1151,5	5
1	1150	0

Рис.2.3. Механические характеристики АД.

2.1.5 Расчет и построение рабочих характеристик АД при его работе с числом полюсов 2р=12

Рабочими характеристиками АД являются следующие зависимости: ; ; ; ; при U₁=соnst. и f₁= const., где:

n₂ - частота вращения ЭД;

Р₂ - мощность на валу ЭД;

М₂ - момент на валу двигателя;

I₁ - ток статора двигателя;

U₁ - напряжение питающей сети;

f₁ - частота питающей сети.

Рабочие характеристики строят только для зоны практически устойчивой работы двигателя, т.е. от S=0 до S>S_ном на 10-20%

Задаемся скольжением в пределах от S=0 до S=1,15S_н:

M_кр=1160 H*м; S_кр=0,7; S_н=0,17

I_1н = 75 А; I₀=43,3 А

,

где:

Р₁ - мощность потребляемая двигателем из сети.

Р₂ - полезно отдоваемая двигателем механическая мощность.

р_мех - механические потери, состоящие из потерь на трение в подшипниках и вентиляторных потерь.

р_мех=(0,010,03)Р_2н=const

р_д - добавочные потери

р_д=0,005Р₂

р_м1 - потери в меди статора

р_м1= m₁I₁²r₁;

р_м2 - потери в меди ротора

р_м2 = SР_эм

Р_эм - электромагнитная мощность.

Р_с - потери в стали статора (потери в стали ротора не учитываются, т.к. частота f₂ перемагничивания стали в роторе обычно весьма невелика (1-3Гц) и поэтому потери в стали ротора малы).

Р_с = const

Итак:

р_мех = 0,02Р_2н = 0,02*23 = 0,46кВт

Определим р_с для номинального режима:

р_дн = 0,005Р_2н = 0,005*23 = 0,12 кВт

р_м1н = m_1*I_1н²*r₁ = 3*75²*0,07 = 1,181 кВт

р_эм.н(1-S_н) = Р_2н+р_мех+р_дн

Р_эм.н =

Р_1н=

р_с = Р_1н - Р_эм.н - р_м1 = 33,07 - 28,41 - 1,81 = 3,48 кВт

Подставляя известные величины в вышеприведенные выражения, получаем следующие расчетные формулы:



Р₁ = Р_эм + р_м1+3,48 , кВт з_эд = Р₂/Р₁

Производим расчет, результаты приводим в табл.2.3.

Графическое изображение рабочих характеристик показано на рис.2.2.

Рис.2.2. Рабочие характеристики АД при его работе с числом полюсов 2р=12

Табл.2.3 Расчет рабочих характеристик.

S	0	0,05	0,08	0,1	0,13	0,17	0,2
	0	164,9	261,7	324,8	416,5	529,3	612,8
	500	475	460	450	435	415	400
	0	8,22	12,64	15,31	19,02	23,06	25,74
	43,3	47,1	52,42	56,82	64,28	75	83,57
	0,46	9,18	14,31	17,01	21,87	27,79	32,17
	0,39	0,47	0,58	0,68	0,87	1,18	1,47
Р1 = Рэм + рм1+3,48 кВт	4,33	13,13	18,37	21,17	26,16	32,45	37,12
зэд = Р2/Р1	0	0,63	0,69	0,72	0,73	0,71	0,9
	0,2	0,4	0,5	0,6	0,65	0,7	0,67

2.1.6 Расчет параметров схемы замещения асинхронного двигателя при 2р = 4

Номинальное скольжение двигателя:

Синхронная угловая скорость поля статора:

Номинальная угловая скорость ротора двигателя:



Номинальный момент двигателя:

Кратность максимального момента:

Кратность пускового момента:

Кратность пускового тока:

Критическое скольжение:

Ток намагничивания двигателя:



Номинальный ток ротора:

Активное сопротивление ротора в номинальном режиме:

Полное сопротивление короткого замыкания:

Коэффициент мощности при пуске:

Коэффициент первичного рассеяния:

Пусковой ток ротора:

Активное сопротивление ротора пи пуске:

Активное сопротивление статора:

Индуктивное сопротивление двигателя, определяемое по номинальному режиму:

Индуктивное сопротивление статора:



2.1.7 Расчет и построение механической характеристики двигателя при его работе с числом полюсов 2р = 4

Для построения механической характеристики в пределах 0 S S_кр и S = 1 произведем расчет по упрощенной формуле Клосса:

S_кр - выражение:

Подставив известные величины в вышеприведенные выражения, получаем следующие формулы для расчета механической характеристики:

Результаты расчета приведены в таблице 2.2, а графическое изображение механической характеристики - на рис.2.3.

S	M, H*м	n, об/мин
0	0	1500
0,01	74,9	1485
0,03	223,4	1455
0,04	296,3	1440
0,05	367,9	1425
0,06	440,4	1410
0,08	571,8	1380
0,1	696,3	1350
0,2	1146,2	1200
0,3	1327,9	1050
0,36	1350	960
0,5	1314,9	750
0,65	1219,8	525
0,8	1126,4	300
0,9	1073,5	150
1	1030	0

2.1.8 Расчет и построение рабочих характеристик АД при его работе с числом полюсов 2р = 4

n₂ = f(P₂); M₂ = f(P₂); I₁ = f(P₂); з_эд = f(n₂); cos = f(P₂) при U₁ = const и f₁ = const.

Задаемся скольжением в пределах от S = 0 до S = 1,17S_н:

I_1н = 128 А, I₀ = 42,67 А

Для номинального режима:

р_мех = 0,02*Р_2н = 0,02*65 = 1,3 кВт;

р_дн = 0,005*Р_2н = 0,005*65 = 0,325 кВт;

р_м1н = m₁*I₁²*r₁ = 3*128²*0,057 = 2,8 кВт;

Р_с = 74,1 - 70,88 - 2,8 = 0,42 кВт

Производим расчет, результаты приводим в таблице 2.4

Табл.2.4. Расчет рабочих характеристик.

S	0,01	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07
	74,9	223,4	296,3	367,9	440,4	505,9
	1485	1455	1440	1425	1410	1395
	11,68	34,13	44,8	50,05	65	74,1
	47,27	74,27	91,41	109,4	128	146,1
	13,17	36,70	48,25	59,6	70,88	81,84
	0,382	0,943	1,429	2,046	2,8	3,65
Р1 = Рэм + рм1+3,48 кВт	13,97	38,06	50,1	61,65	74,1	85,13
зэд = Р2/Р1	0,836	0,897	0,894	0,893	0,88	0,87
	0,45	0,78	0,83	0,86	0,88	0,89

2.2 Описание и принцип действия схемы управления автоматической швартовной лебедкой

Ввиду того, что в электроприводах АШЛ требуемый перспективными нормативами диапазон регулирования скорости (свыше 1:15) обеспечить электромашинным способом невозможно, то для наиболее крупных лебедок (с тяговым усилием от 80 кН) могут быть применены системы смешанного электромашинно-частотного регулирования.

С учетом рекомендаций, приведенных в табл. 2.5.,для данного механизма (АШЛ) выбираем тиристорный электропривод переменного тока с питанием обмотки малой скорости асинхронного двухскоростного короткозамкнутого двигателя МАП 621 - 4/12 от тиристорного преобразователя частоты.

Табл.2.5. Рекомендации по выбору тиристорного ЭП.

Наименование и основные механические данные механизма	Рекомендуемая система электропривода	Общий диапазон регулирования скорости	Режим работы и серия двигателя	Краткая механическая характеристика преобразователя
Швартовные лебедки автоматические и неавтомат.-е с Fт=80 126 кН и скоростью выбирания 1м/с	Тиристорный ЭП переменного тока с питанием обмотки малой скорости АД 2-х скоростного К.З. от ТПЧ с непосредственной связью	1:20	30 мин и 15% МАП	ТПЧ с НС, обеспечивающий питание обмотки двигателя током с частотой, изменяющейся от 5 до 20 Гц

Для частотного регулирования электроприводом применяем тиристорный преобразователь непосредственного типа, позволяющий осуществлять регулирование электроприводом в пределах от 5 до 20 Гц, что вполне удовлетворяет выбранной схеме электропривода. Более подробно НПЧ и система его управления будут рассмотрены ниже.

2.2.1 Принцип действия электропривода АШЛ при ручном управлении

Схема электропривода переменного тока АШЛ с использованием преобразователя частоты с непосредственной связью показана на рис.2.5. Данная схема предназначена для управления двухскоростным асинхронным короткозамкнутым электродвигателем типа 621 - 4/12 серии МАП. Данные электродвигателя приведены в табл.2.1. Электродвигатель имеет две фиксированные скорости, соответствующие включению двух независимых обмоток. При включении обмотки с числом полюсов 2р = 12 реализуется мощность, необходимая для выбирания троса с номинальным тяговым усилием. При включении обмотки с числом полюсов 2р = 4 обеспечивается выбирание и травление ненагруженного троса с большой скоростью. Включение обмоток высшей и низшей скорости, а также реверсирование электродвигателя осуществляется с помощью магнитного контроллера, управляемого командоконтроллером. Обмотка с числом полюсов 2р = 12 помимо питания прямо от сети может получать питание от статического тиристорного преобразователя частоты с непосредственной связью. При управлении через командоконтроллер реализуется частота 16 Гц и соответственно скорость, составляющая около 40% номинальной. При автоматическом режиме работы преобразователь формирует частоту в 6 Гц, реализуется скорость, составляющая около 20% номинальной.

Основные узлы и элементы схемы:

12С1 - 12С3 - зажимы основной обмотки ЭД;

4С1 - 4С3 - зажимы обмотки для операций с малой скоростью;

ПЧН - статический преобразователь частоты с непосредственной связью;

УВ - тормозной магнит;

Т - силовой трансформатор питания преобразователя частоты;

QF - автоматический выключатель защиты преобразователя частоты;

КМ3 - контактор направления выбирания;

КМ5 - контактор направления травления;

КМ4 - контактор тормозного электромагнита;

КМ6, КМ7, КМ8 - контакторы малой, основной и большой скорости соответственно;

Рис.2.5. Схема главного тока электропривода механизма АШЛ с преобразователем частоты.

КМ10 - контактор контроля напряжения преобразователя;

КМ1 - контактор нулевой защиты;

КМ2 - контактор режима автоматической работы;

SQ6 - кнопка автоматической работы;

SQ7 - кнопка отключения режима автоматической работы;

КМ9 - контактор сигнала чрезмерного усилия;

Рис.2.5а Контакторная схема управления электропривода АШЛ.

SQ1, SQ2, SQ3, SQ4, SQ5, SQ8 - контакты командоаппарата усилий, связанного со взвешивающим устройством лебедки;

КТ1 - реле ускорения с выдержкой времени 0,5 с;

KL1 - реле грузовой защиты;

KL4 - реле контроля сборки схемы;

KL2, KL3 - реле управления преобразователем;

KT2 - реле времени с выдержкой времени 1 с;

S1 - выключатель управления;

S2 - выключатель шунтировки тепловой защиты;

КК1 - КК3 - тепловые реле защиты;

КК4 - грузовое реле (срабатывает за время, на 40% меньше, чем время срабатывания реле КК3);

SA3 - SA12 - контакты командоконтроллера.

Подготовка к пуску.

1. Подается напряжение переменного тока 380 В, 50 Гц на питающие фидеры электропривода лебедки.

2. Замыкается автоматический выключатель QF в цепи питания преобразователя частоты;

3. Переводится рукоятка выключателя управления S1, встроенного в командоконтроллер, в положение «ВКЛ». При этом подается питание в цепь управления электроприводом лебедки, загорается лампа «Лебедка подготовлена».

4. При нулевом положении рукоятки командоконтроллера замкнуты его контакты SA3, SA4, SA11, SA12. Получает питание реле контроля сборки схемы KL4, реле грузовой защиты KL1 своими контактами подготавливает переход с высшей скорости на основную при тяжелом режиме работы. Реле ускорения КТ1 своими контактами обеспечивает плавный переход с низшей скорости на высшую скорость при внезапном переводе рукоятки командоконтроллера из положения «1» в положение «3».

Работа электропривода на положениях командоконтроллера «Выбирать»:

Рукоятка командоконтроллера в положении «1».

При этом замыкаются контакты командоконтроллера SA5, SA7, SA10, SA11 и размыкаются контакты SA3, SA4, SA12. При замыкании контакта SA5 получает питание катушка контактора направления выбирания КМ3. Контактор КМ3 срабатывает, в результате чего:

- размыкается контакт КМ3, обеспечивающий блокировку от одновременного включения двух разноименных контакторов направления КМ3 и КМ5;

- получает питание катушка контактора тормоза КМЧ, замыкаются его главные контакты КМЧ в цепи питания катушки тормоза УВ электродвигателя, замыкается контакт КМЧ, подготавливающий цепи питания контакторов скоростей, размыкается контакт КМЧ в цепи питания реле KL4, обеспечивающей работу нулевой защиты;

- замыкаются главные контакты КМ3, подготавливающие цепь питания электродвигателя.

При замыкании контакта командоконтроллера SA7 получает питание катушка контактора малой скорости КМ6. Контактор КМ6 срабатывает, в результате чего:

- замыкаются главные контакты КМ6, подключающие основную обмотку (12С1 - 12С3) к преобразователю частоты;

- замыкается контакт КМ6 в цепи питания катушки реле ускорения КТ1, обеспечивающий контроль переключения скоростей;

- замыкается контакт КМ6 в цепи питания катушек контакторов средней КМ7 и большой КМ8 скоростей;

- замыкаются контакты КМ6 в цепях питания реле управления преобразователем KL2 и KL3. Реле KL2 срабатывает, замыкаются контакты KL2 в цепи управления преобразователем, размыкается контакт KL2 в цепи питания KL3, исключающий возможность одновременного включения двух разноименных реле управления преобразователем KL2 и KL3.

При замыкании контакта командоконтроллера SA10 загорается лампа «Ручное управление».

Размыкание контакта командоконтроллера SA3 не приводит к отключению контактора нулевой защиты КМ1, так как своим контактом КМ1 он шунтирует контакт контроллера SA3, обеспечивая нулевую защиту электропривода.

Размыкание контакта командоконтроллера SA12 не приводит к отключению реле ускорения КТ1, так как оно получает питание через шунтирующий контакт КМ6 контактора малой скорости.

Электродвигатель растормаживается и начинает работать на малой скорости. Его основная обмотка (12С1 - 12С3) подключается к преобразователю частоты, с помощью которого достигается плавное нарастание частоты, и электропривод обеспечивает операции швартования с малой скоростью ручного управления.

Рукоятка командоконтроллера в положении «2».

При этом замыкаются контакты командоконтроллера SA5, SA8, SA10, SA11, размыкается контакт SA7.